立式雙軸車削中心助力高效、高柔性加工

    隨著機床產品呈現出多軸化、復合化的發(fā)展趨勢，并具有高效、多能和高精度的特點，東風汽車有限公司設備制造廠開發(fā)出對置雙主軸立式車削中心，該機床可適應常用金屬材料零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可實現全自動生產，并能很方便地連入自動生產線中，或者與同類機床串聯形成新的具有高度柔性的加工自動線。 
    汽車、摩托車生產中存在大量軸、盤轂類回轉體零件加工，往往數量大、品種多、要求高、工藝內容復雜，對車削設備提出了高效率、高柔性、高精度和多功能的要求，促進了車削設備的快速發(fā)展。許多刀輔具、電力驅動及控制、傳動及測量等方面的新技術在其中得到應用，相關技術的發(fā)展也使得機床結構變得多種多樣。

圖1 對置雙主軸立式車削中心

    國外先進機床行業(yè)在數控車削中心的設計制造上技術成熟，其機床產品呈現多軸化、復合化的發(fā)展趨勢，具有高效、多能和高精度的特點，代表了此類機床的發(fā)展方向。順應這一發(fā)展趨勢，我廠開發(fā)了對置雙主軸立式車削中心（如圖1），填補了國內此類設備空白。
機床總體布局和性能特點 
    引入全新立車設計理念，結合主軸倒置立車與傳統(tǒng)立車結構形式，采用克服傳統(tǒng)車床缺陷的機床結構布局方案，機床設計目標期望滿足下列要求：
1. 高度自動化從而實現高效率，易于自動化連線。
2. 易于排屑，可靠定位，從而有利于加工自動化和加工質量的保障。
3. 適應常見金屬零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度車削。
4. 先進技術的應用（大扭矩電主軸開發(fā)應用、高速度高精度進給系統(tǒng)開發(fā)應用以及動力刀架應用等）和先進的技術指標，適應國內機床應用維護水平的進步。
    機床由床身、十字滑臺、移動倒置主軸I、電動刀架I、固定正置主軸II、伺服動力刀架II、下料機械手、電氣、液壓、自動集中潤滑、氣路和自動冷卻排屑系統(tǒng)等部件構成，根據具體零件加工條件，另配備相應刀輔具、夾具和上下料自動滾道，編制相應數控加工程序，即構成完整的自動化制造系統(tǒng)（如圖2）。

圖2  完整的自動化制造系統(tǒng)

    機床工作循環(huán)為：工件通過上料機動滾道到達上料位置→主軸I下行(Z1軸),上料油缸頂起工件實現端面定位,夾具I由回轉油缸驅動夾緊→主軸I抓起工件沿 Z1、X1軸運行到刀架I加工區(qū)間→工件按程序加工→主軸I沿Z1、X1軸運行到主軸II,將工件放置主軸II，夾具II夾緊，主軸I 返回進入下一循環(huán)→刀架II沿X2、Z2軸運行到主軸II→工件按程序加工→夾具II松開，刀架II安裝臺上的下料機械手抓起工件沿X2、Z2軸運行到下料滾道并放下工件→下料機動滾道將工件送出機床。
    由此顯見，主軸I（夾具I）和刀架II的二坐標運動除完成切削進給功能外，還兼有自動上下料運動的功能，配備自動滾道后，全自動化生產變得簡便易行，數控的主軸和進給軸運動保證了加工的靈活性。加工盆形工件時盆形向下，刀架I加工盆內特征，刀架II加工盆外特征，排屑順暢，定位可靠，利于加工。對置雙主軸+上下雙刀架配置簡單，實現工件兩端完全加工，比較兩臺單軸立車組線，機床部件和占地面積更少，工件輸送更簡單、可靠，這些構成了機床結構最大的優(yōu)點。
    比較國外類似機床，本機床結構吸取了其優(yōu)點，且主要技術性能指標已處相同水平，各進給坐標軸快進速度達40m/min，加速度達0.4g，定位精度和重復定位精度分別達0.008mm和0.005mm。
    機床可加工工件最大直徑φ350mm，最大高度250mm，兩刀架均為8刀位，足以滿足較復雜工件加工，配置伺服動力刀架，更可以對工件進行銑鏜、鉆孔、攻絲等加工，也可配置自動檢測系統(tǒng)以具備刀具補償和自動對刀功能，豐富、靈活的配置極大地滿足了功能集成化、多工序工藝復合化的要求。
主要技術要點
1. 大扭矩車削電主軸的開發(fā) 
    立車主軸I需要快速移動，因此采用伺服電主軸（如圖3）驅動方式，比較傳統(tǒng)機械主軸，其結構簡單、體積小、重量輕、噪音小和傳動慣量小，快速響應好，能實現極高的速度、加速度。

圖3  主軸結構

    一般立車主軸上裝較大夾具及工件，要求電機轉速相對較低、扭矩相對較大，這一點與加工中心用電主軸顯著不同，為此專門開發(fā)了本機床使用的電主軸，其轉速額定1000r/min，最大2800r/min，扭矩額定260Nm，最大340Nm。
    主軸尾端裝有齒輪式絕對編碼器，用于主軸轉速和周向位置控制反饋，實現主軸C軸功能，使得機床具備周向特征加工功能，如鉆孔、攻絲和銑槽等。
    車削工件環(huán)狀端面時，往往采取恒線速、變轉速切削，直到限制轉速后再恒轉速切削，有利于提高效率和表面加工質量。配置德國INDRAMAT公司MTC200-R數控系統(tǒng)和DIAX04系列全數字交流伺服系統(tǒng)，使其得以方便實現。
    采用進口精密角接觸球軸承組，軸承采用全壽命免維護高級脂潤滑，采用氣密封，0.1MPa壓力氣流經端蓋與主軸表面間隙外泄，阻擋污物進入，空氣過濾精度0.001mm且經過干燥，這種密封比接觸式密封和迷宮密封效果更好。
    內裝主軸電機作為高功率密度的伺服電機，電流較大，定子繞組電流和轉子感應渦流產生大量熱量，進而影響到軸承溫度，對其強制冷卻是必需的。主軸箱體設計了通過轉子、軸承外部的水冷通道，采用壓力低于0.3MPa溫度低于40℃的水強制冷卻，水中加防銹劑。水冷系統(tǒng)的可靠工作極為重要，水冷系統(tǒng)具備溫度、壓力監(jiān)控報警，防止主軸損壞。
    機床自動化運行，采用進口回轉油缸和液壓動力卡盤。
    主軸箱體采用鑄造鋁合金材料，重量比鑄鐵減輕 60%，減小慣量利于提高加速性能，同時利于主軸散熱�？紤]硬度較低，容易擦傷，其主軸孔不宜直接安裝配合較緊的軸承，主軸孔內襯以鋼套，確保可多次高精度重復裝配。箱體壁內加工出氣、液通道孔，管線全從主軸尾端接入，整齊美觀。
    主軸旋轉部分經動平衡，等級G2.5，主軸高速區(qū)間運轉平穩(wěn)，無振動，利于使用壽命和加工質量。
2. 高速、高精度進給系統(tǒng)開發(fā)
    進給系統(tǒng)包括X1、X2、Z1、Z2四軸伺服控制直線運動，完成兩個工位的進給功能。
    采用進口高剛性精密滾柱直線導軌，滿足粗加工高負載和精加工高精度兩方面要求；使用進口光柵尺作為滑臺位置測量反饋元件，組建機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)。
    使用伺服電機和進口精密滾珠絲杠組成進給運動系統(tǒng)，對傳動系統(tǒng)中電機負載、慣量匹配性能和系統(tǒng)剛性進行精心設計校核。各軸負載慣量與電機轉動慣量之比控制在1.0～1.5之間，保證其運動響應迅速；采用絲杠兩端固定并對絲杠預拉伸，提高系統(tǒng)剛度，保證實現微細進給。
3. 電控系統(tǒng)
    配置INDRAMAT公司MTC200-R數控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高性能、高柔性和高可靠性等特點，有豐富的NC編程指令集，可以滿足各種通用、專用機加工機床的加工要求，該數控系統(tǒng)還集成了PLC控制器、PLC編程器，人機接口等功能；配置INDRAMAT公司的DIAX04系列全數字交流伺服系統(tǒng)，該系列伺服系統(tǒng)具有高精度、高速度和高可靠性等特點，并具有完善的故障診斷、狀態(tài)提示功能；配備10.4in（1in=25.4mm）彩色液晶TFT顯示器作為人機接口，實時顯示機床的狀態(tài)，包括各伺服軸的運動速度、當前位置、各機床檢測開關的狀態(tài)以及執(zhí)行元件的狀態(tài)等；該機床還有操作提示功能、故障診斷和顯示功能，指導操作及維修人員進行使用、維修機床。
結語
    新型立式車床具有結構緊湊、敞開性好和排屑流暢的特點，可適應常用金屬材料零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可實現全自動生產，并能很方便地連入自動生產線中，或者與同類機床串聯形成新的具有高度柔性的加工自動線。該機床于2005年成功研制后，各項性能指標達到預期目標，投入生產使用良好，并獲得2006年中國數控機床展覽會春燕獎二等獎、2007年中國汽車工業(yè)科技進步三等獎項。